Стратегии усиления седиментации — это проекты по управлению окружающей средой, направленные на восстановление и облегчение процессов землеустройства в дельтах . [1] Наличие и осаждение осадка важны, поскольку дельты естественным образом оседают и, следовательно, нуждаются в накоплении осадка для поддержания своей высоты, особенно с учетом увеличивающихся темпов повышения уровня моря . [2] [3] Стратегии усиления седиментации направлены на увеличение седиментации на дельтовой равнине, в первую очередь, путем восстановления обмена водой и осадками между реками и низколежащими дельтовыми равнинами. Стратегии усиления седиментации могут применяться для стимулирования подъема уровня земли для компенсации повышения уровня моря. [4] Интерес к стратегиям усиления седиментации в последнее время возрос из-за их способности повышать высоту земли, что важно для долгосрочной устойчивости дельт. [1]
По сравнению с обычной инфраструктурой защиты от наводнений, такой как дамбы и морские дамбы , стратегии усиления седиментации обеспечивают различные преимущества. Во-первых, сооружения защиты от наводнений могут усугубить экологические проблемы в дельтах: мелиорация земель и строительство дамб приводят к потере площади водохранилищ во время пиковых сбросов рек , что может вызвать повышенный риск затопления ниже по течению. Дамбы также усугубляют потерю возвышения земли из-за дренажа почвы и препятствуют естественному накоплению осадков. [5] Напротив, стратегии усиления седиментации не вызывают этих проблем, а вместо этого решают несколько проблем одновременно: они снижают риски наводнений , одновременно восстанавливая экосистемы , улучшая производственные (например, рыболовство ) и культурные (например, ландшафт ) экосистемные услуги . [4] [6]
Стратегии усиления седиментации также более гибкие, чем традиционная защита от наводнений. Крупномасштабные инфраструктурные защиты от наводнений являются дорогостоящими и жесткими, требуя значительных инвестиций для адаптации инфраструктурных защит от наводнений к изменяющимся граничным условиям . [5] В частности, учитывая неопределенные будущие сценарии из-за изменения климата , повышения уровня моря и пиковых расходов рек, жесткие защиты от наводнений могут быть не оптимальным выбором. [6] Стратегии усиления седиментации более гибкие и адаптируемые к изменяющимся условиям окружающей среды , что делает их более вероятными для удовлетворительной работы в различных будущих сценариях. [6]
Одним из основных препятствий для внедрения стратегий улучшения седиментации является то, что они требуют пространства, которого может не быть, поскольку дельты являются одними из самых густонаселенных регионов в мире. [7] Изменение землепользования для создания пространства для стратегий улучшения седиментации требует участия заинтересованных сторон , но жители дельты могут не захотеть изменить землепользование. [5] Кроме того, снижение поступления речных наносов из-за строительства плотин выше по течению и других изменений окружающей среды в водосборах, вызванных деятельностью человека [8], означает, что в дельтах меньше наносов для стратегий улучшения седиментации. Успех стратегий улучшения седиментации в значительной степени зависит от контекста и зависит, например, от расхода реки, концентрации наносов в воде, землепользования в дельте, приливного диапазона , участия заинтересованных сторон и финансовых ресурсов страны, в которой расположена дельта.
Во многих дельтах по всему миру реки отделены от дельтовых равнин насыпями или дамбами, которые ограничивают водоемы и предотвращают гидрологический обмен между водой и землей. Речные отводы, предназначенные для исправления проблемы отсоединения, вызванного гидрологической инженерией , представляют собой инженерные сооружения вдоль реки, которые направляют воду и осадки из реки в прилегающие водно-болотные угодья . [9] [4] [10] Сооружения для отвода могут варьироваться от простых ворот до более сложных сифонных или насосных систем. [4] Помимо необходимости инженерных сооружений в точке отвода реки, эта стратегия опирается на естественные процессы землеобразования. Речная вода теряет энергию и замедляется по мере прохождения из относительно узкой реки в более широкую принимающую область, вызывая отложение осадочных пород , что повышает высоту земли и может привести к образованию новой земли. [4] [11]
За 20 век дельта Миссисипи потеряла примерно 25% своей земли. [10] [12] В настоящее время земля исчезает со скоростью почти 11 000 акров в год. [13] Для борьбы с этими быстрыми темпами потери земли Управление по защите и восстановлению побережья Луизианы (CPRA) разработало 50-летний план стоимостью 50 миллиардов долларов для дельты Миссисипи, центральным компонентом которого является повторное введение речной воды и осадка в дельтовую равнину посредством отвода рек. [14] [10] Инженерные отводы рек ранее были реализованы в дельте Миссисипи в Карнарвоне и пруду Дэвис. Хотя эти отводы не были построены с основной целью застройки земель, рост земель произошел на обоих участках. Отвод Карнарвона шириной 2 км привел к отложению осадка до 42 см в принимающей зоне, создав расщелину площадью около 130 км 2 в течение трех месяцев. [10] Планируемые в настоящее время отводы Средней и Нижней Баратарии и Бретона были специально разработаны для сбора и отвода осадка из реки Миссисипи и размещения его в приемных бассейнах для строительства земель. [15]
Канал дель Дике — 400-летний судоходный канал , соединяющий Рио-Магдалена с заливом Картахена в Колумбии . [16] Строительство этого канала увеличило приток воды и наносов в залив Картахена. [17] Отложение наносов в канале , связанных озерах и болотах , а также в заливе Картахена негативно повлияло на окружающую среду. В 2013 году голландская компания Royal HaskoningDHV разработала план, включающий два контрольных сооружения на канале. Одно контрольное сооружение было построено выше по течению для регулирования количества воды и наносов, поступающих из Рио-Магдалены в Канал дель Дике. Второе контрольное сооружение было построено ниже по течению от канала в Пуэрто-Бадель для отвода воды и наносов в сторону мангровой зоны к западу от канала. Таким образом, восстанавливается мангровая зона, застраивается земля, и в то же время уменьшается количество наносов, поступающих в залив Картахена, что способствует экологическому восстановлению . [17] [16]
Приливное затопление польдеров влечет за собой (временное) прорыв дамб и позволяет приливной воде течь в обнесенную насыпью область во время прилива . [18] [19] Приливная вода может принести большие концентрации осадка из моря в речную систему, которые откладываются и скапливаются внутри польдера, когда скорость потока уменьшается. Приливное затопление польдеров является альтернативной формой прибрежной защиты , которая использует естественную приливную динамику и связанные с ней морфологические процессы. [20] Во время затопления польдера эта территория может использоваться для аквакультуры . [19] Мы различаем приливное управление рекой, реализованное в дельте Ганга-Брахмапутры-Мегхны , Бангладеш , и обменные польдеры, реализованные в дельте Рейна-Мааса , Нидерланды .
Польдеры, известные как билы в Бенгалии , строятся в Бангладеш с 1960-х годов. [18] Насыпи обеспечивают защиту от наводнений и изначально увеличивают сельскохозяйственное производство . Однако вместе с уменьшением водоснабжения из-за строительства плотин выше по течению насыпи привели к увеличению заиления русла реки и заторов, что затрудняет отвод воды и навигацию . Еще одной проблемой в Бангладеш является заболачивание , которое отрицательно влияет на сельскохозяйственную производительность региона. [18] Управление приливными реками (TRM) возникло как восходящая, местная стратегия по уменьшению заболачивания и решению проблем заторов рек в Бангладеш. TRM также рассматривается как мера адаптации к изменению климата из-за его потенциала для поднятия земли за счет заиления и позволяет жителям справляться с изменяющимися условиями окружающей среды. TRM включает временное разрушение дамб вокруг низкорасположенных польдеров, чтобы позволить речной воде течь. [18] [19] Когда вода течет в защищенные насыпью районы во время прилива, скорость потока воды уменьшается и откладываются отложения. [21] [22] Во время отлива скорость потока воды снова увеличивается, поскольку вода оттягивается обратно через каналы к морю, вызывая эрозию отложенных речных отложений . Это увеличивает дренажную способность и судоходность каналов. [18] [23] TRM была реализована в пяти билах на юге дельты Ганга-Брахмапутры-Мегхны. Реализация TRM местными жителями ( снизу вверх ) была особенно успешной. Например, земля в биле Бхайна была поднята на 1,5–2 метра около точки среза в дамбе и на 0,2 метра к другому концу бил. [18] Благодаря успеху TRM, Совет по развитию водных ресурсов Бангладеш также официально внедрил TRM в нескольких билах, что было менее успешным из-за реализации сверху вниз, вызывающей конфликт между местными жителями и официальными учреждениями. [24]
Первые попытки освоения земель в юго-западной дельте Рейна-Мааса в Нидерландах относятся к Средним векам . С тех пор этот район пережил множество штормов и экстремальных погодных условий , среди которых наводнение 1953 года , которое привело к строительству Delta Works . [20] Строительство плотин , шлюзов и заграждений от штормовых нагонов , а также укрепление и поднятие дамб в этом районе изначально повысили безопасность от наводнений . Однако со временем земля за дамбами начала оседать, что является весьма проблематичным в условиях повышения уровня моря. [20]
В Западной Шельде была предложена стратегия, похожая на TRM, для естественного поднятия земли. [25] Во время прилива Западная Шельда доставляет осадок в районы за пределами насыпей. В результате эти районы естественным образом поднимаются с уровнем воды . [26] Это иллюстрируется het verdronken land van Saefthinge , районом, который находится за пределами насыпей, но имеет более высокую высоту, чем другие районы, защищенные насыпями в Зеландии. [25] Следуя этому примеру, предлагаются обменные польдеры, на голландском языке называемые wisselpolders. Обменные польдеры используют естественные процессы седиментации для создания буфера возвышенной земли вдоль эстуария, защищая землю за дамбами от затопления. [20] Обменные польдеры могут быть созданы путем прорыва приморской набережной, чтобы позволить приливной воде течь в обнесенную насыпью область. Вторая насыпь с другой стороны польдера останавливает приливную воду от течения дальше по суше внутрь. [26] Территория между насыпями будет снова соединена с Западной Шельдой и поэтому должна постепенно заиливаться по мере замедления приливной воды. [25] Обменные польдеры еще не были реализованы, поскольку план подвергся критике со стороны местных фермеров. Они подвергают сомнению идею возвращения земли природе, поскольку в Нидерландах уже наблюдается нехватка места, и опасаются усиления засоления в этом районе. [27]
Некоторые стратегии, усиливающие седиментацию, сосредоточены именно на создании условий с низкой энергией на мелководье . Отложение осадка происходит, когда поток воды замедляется, поскольку у воды больше нет энергии для переноса более тяжелых частиц осадка , и поэтому они тонут. [28] Примерами стратегий, которые стимулируют условия с низкой энергией, являются полупроницаемые структуры, сделанные из таких материалов, как дерево , ветки и хворост.
Эстуарий Эмс-Доллард расположен на границе между Нидерландами и Германией и имеет высокую концентрацию ила . [29] Однако ил не может осесть на дельтовых равнинах из-за дамб , контролирующих наводнения , которые отделяют сушу от воды. Кроме того, каналы в этом районе со временем были расширены и углублены для навигации , что увеличило силу приливного течения внутреннего наводнения и ослабило отливное течение обратно в море , в результате чего избыток ила транспортируется из моря в эстуарий . [29] [30]
Концентрация ила в эстуарии Эмс-Доллард увеличилась с 40 мг/л в 1954 году до 80–100 мг/л в настоящее время, [29] что значительно снижает качество воды . Чем больше ила в воде, тем она мутнее , что снижает количество света , проникающего в воду, и подавляет рост водорослей . Водоросли являются первичными производителями : они используют CO2 , воду и свет для производства кислорода и пищи для других водных животных. Следовательно, снижение роста водорослей влияет на доступность кислорода и пищи для всей пищевой цепи. [29] [30] Изменение климата Повышение уровня моря, вызванное изменением климата, может негативно повлиять на первичную продукцию и пищевую цепь , но также может затопить систему Эмс-Доллард, поэтому в эстуарии выполняются пилотные проекты по седиментации. Цель состоит в том, чтобы улавливать частицы ила на квелдерах, которые представляют собой участки суши, покрытые растительностью, которые лежат за пределами насыпей . Это можно сделать, разместив в земле вдоль кильватерной канавки из ивы — деревянные столбы, соединенные ветвями, — замедляя течение воды и способствуя образованию осадка , что в конечном итоге может привести к образованию новой земли. [31]
Другой способ, которым иловое осаждение стимулируется в эстуарии Эмс-Доллард, — это строительство двойных дамб . Область между дамбами заполняется водой с помощью контролируемой водопропускной трубы , где ил может легче оседать из-за низкого расхода или застойных условий воды. Осевший ил может быть использован для изготовления глины , которая используется для укрепления и поднятия дамб в этом районе. [32]
Дельта Вулан расположена в районе Демак , северная Ява , Индонезия . Дельтовые береговые линии Северной Явы страдают от сильной береговой эрозии . [33] Более 3 километров береговой линии Демак уже ушло в море. [34] Основными причинами береговой эрозии являются преобразование мангровых лесов в аквакультуру , мелиорация земель для прибрежной инфраструктуры и добыча грунтовых вод, вызывающая просадку земли . [34] [35] Восстановление мангровых зарослей было предложено в качестве стратегии по прекращению прибрежной эрозии в районе Демак. Только повторная посадка мангровых зарослей в этом районе была невозможна, поскольку воздействие волн , время погружения и условия осадка больше не были оптимальными. [34] Вместо этого была реализована стратегия, аналогичная ивовым волнорезам в эстуарии Эмс-Доллард. Полупроницаемые барьеры были построены вдоль побережья Демак с использованием местных материалов, таких как бамбук , ветки и другие кустарники. [33] Эти структуры пропускают морскую и речную воду , гасят волны, захватывают осадок и создают защищенные, низкоэнергетические условия вблизи береговой линии для нарастания осадка. Основная идея этой стратегии заключается в том, что семена мангровых деревьев будут колонизовать область естественным образом, когда уровень берегового дна поднимется достаточно высоко. [34]
Первоначально проницаемые структуры захватывали значительные объемы осадков, поднимая уровень ложа позади структур. Некоторые места были естественным образом повторно заселены мангровыми зарослями , в других местах мангровые заросли были пересажены. Однако молодые мангровые заросли выжили только в наиболее защищенных седиментационных бассейнах . В других местах они снова исчезли через несколько лет, потому что уровень ложа снова опустился ниже уровня моря из-за проседания. [36]
Прибрежные водно-болотные угодья — это экосистемы , временно или постоянно затопленные водой. Растительность водно-болотных угодий выполняет важные функции: она смягчает набегающие волны и способствует отложению осадков. Результирующий подъем уровня земли позволяет некоторым водно-болотным угодьям идти в ногу с повышением уровня моря. [5] [37] Многие водно-болотные угодья были преобразованы в другие виды землепользования путем строительства дамб, морских дамб и насыпей для предотвращения проникновения воды. В результате водно-болотные угодья отсоединены от гидрологического источника и больше не получают осадок, что препятствует подъему земли и может привести к потере высоты земли. Одной из стратегий восстановления водно-болотных угодий является депольдеризация, которая влечет за собой прорыв дамб и повторное соединение водно-болотных угодий с реками, эстуариями или морем , восстановление естественной гидрологии и потенциала застройки земли водно-болотными угодьями. [38] [5]
Депольдеризация произошла в польдере в Бисбоше в рамках голландской программы «Пространство для реки» . Бисбош — это пресноводное приливное водно-болотное угодье площадью 9000 га в юго-западной части Нидерландов. Вода и осадки были повторно введены в Нордвард, сельскохозяйственный польдер в Бисбоше, в 2008 году. [39] Насыпи были понижены на 2 метра, чтобы снова соединить водно-болотные угодья Бисбоша с рекой Мерведе , рукавом нижнего Рейна . Этот проект был направлен на то, чтобы обеспечить затопление во время пиковых сбросов рек Рейн и Маас , при этом восстановленная динамика приливов и наводнений способствовала восстановлению экосистемы . [40] [41] Результатом этих усилий по восстановлению стало то, что территория Бисбоша задержала приблизительно 46% поступающих осадков, а средняя скорость агградации составила 5,1 мм в год. [42] [43] В феврале 2020 года польдер Нордвард впервые затопило из-за высокого уровня воды в реках, вызванного штормом и весенним приливом . [44]
Водно-болотные угодья в дельте Сакраменто-Сан-Хоакин быстро теряют высоту. В естественных условиях водно-болотные угодья в дельте часто затапливались. Почва была заболоченной и анаэробной , и в этих условиях органический углерод накапливается быстрее, чем разлагается, что приводит к накоплению почвы . Однако водно-болотные угодья в дельте Сакраменто-Сан-Хоакин были осушены в сельскохозяйственных целях, поэтому почва теперь расположена на уровне или выше уровня грунтовых вод , где она может быстро окисляться и разлагаться, что приводит к потере высоты. [45] Многие бывшие водно-болотные угодья в этом районе теперь находятся более чем на 6 метров ниже среднего уровня моря , и были обнаружены скорости проседания до 5 см в год. [46] [47] Неглубокое затопление земель является стратегией, используемой для уменьшения проседания и восстановления водно-болотных угодий в дельте. Добавление слоя воды в почву восстанавливает анаэробные условия, что приводит к накоплению нового торфа и увеличению высоты поверхности . Средние темпы подъема поверхности земли на исследуемых водно-болотных угодьях составили 4 см в год. [47]
Мангровые леса предоставляют широкий спектр экосистемных услуг , таких как среда обитания для водных видов, улавливание углерода , а их корневые системы уменьшают воздействие приходящих волн и улавливают осадочные отложения, что приводит к повышению уровня земли. Мангровые леса также играют роль в смягчении последствий изменения климата и экстремальных погодных явлений. [48] [49] По всем этим причинам мангровые леса являются одним из самых мощных природных решений для борьбы с изменением климата. [50] Однако почти 70 процентов мангровых лесов в настоящее время утрачены или деградировали, и они по-прежнему быстро ухудшаются. [51] [50] Мангровые леса можно восстановить несколькими способами, например, путем предоставления пространства для расширения или путем повторной посадки . Если освободиться от антропогенного давления, виды мангровых деревьев могут быстро повторно заселить деградированные районы, в зависимости от наличия семян и способности семян получать доступ к деградированным районам. В районах, где семена не могут легко мигрировать, повторная посадка является наилучшим вариантом. [52]
В дельте реки Махакам , Индонезия , были предприняты усилия по восстановлению мангровых зарослей . С 1990-х годов мангровые леса в дельте подвергались интенсивному давлению со стороны аквакультуры : 60–75 % мангровых лесов в дельте реки Махакам были преобразованы в пруды для разведения креветок . [48] [49] С 2000 года частные нефтегазовые компании финансировали различные усилия по пересадке мангровых зарослей. С 2001 по 2005 год компания Total E&P Indonesia посадила более 3,5 миллионов деревьев в дельте, покрыв площадь в 646 га. [53] Компания Total E&P инвестирует в восстановление мангровых зарослей по разным причинам, например, для уменьшения эрозии и деградации экосистемы [48], что рассматривается как угроза газовым операциям , [48] а также потому, что трубопроводы, проложенные для транспортировки нефти и газа, привели к вырубке мангровых зарослей. [52] Кроме того, в период с 2002 по 2007 год Департамент лесного хозяйства правительства Индонезии также высадил 819 га мангровых лесов. [53] Программы восстановления, финансируемые правительством и нефтегазовой промышленностью, сосредоточены на повторной посадке мангровых зарослей в заброшенных прудах для разведения креветок и поощрении комбинированной аквакультуры мангровых зарослей и креветок, также называемой лесным рыболовством . [48] Мангровые заросли могут быстро восстановиться в этом районе, если физическая среда дельты не будет разрушена: каждый год сотни гектаров расчищенных территорий в дельте Махакама естественным образом заселяются мангровой растительностью, [54] вызывая прирост. [55]
Также имеются свидетельства осадконакопления в восстановленных мангровых зарослях во Вьетнаме. [56]
Строительство плотин снижает нагрузку наносов в реках ниже по течению. Дамбы и насыпи также препятствуют отложению наносов на дельтовой равнине, что приводит к потере возвышенности земли. Исследования показали, что прорезание и углубление неглубоких, узких каналов на дельтовой равнине может быть эффективной стратегией для увеличения поступления пресной воды и наносов в поймы , озера и лагуны в дельтах. [3]
В дельте Дуная ( Румыния ) были вырыты неглубокие узкие каналы . Основной причиной рытья каналов было то, что рыболовство в дельте Дуная было негативно затронуто ограниченной поставкой пресной воды в дельтовые озера и лагуны . [57] Строительство сети каналов в дельте Дуная почти утроило приток воды к дельтовой равнине. Однако в то же время поставка наносов в нижнем течении реки Дунай сократилась из-за строительства плотин выше по течению. [3] Интересно, что отложение наносов на дельтовой равнине не уменьшилось после строительства плотин . Было подсчитано, что средний поток наносов в дельте Дуная увеличился с 0,07 г/см2 в естественных условиях до 0,09-0,12 г/см2 после строительства неглубоких узких каналов, что может означать скорость седиментации 0,5-0,8 мм в год. [3] Это говорит о том, что искусственные каналы выполняют функцию ловушки для осадков, которая может помочь предотвратить затопление дельты из-за повышения уровня моря. Однако эрозия вдоль побережья Дуная усилилась после строительства каналов. [3] Аналогичные результаты были получены в дельте Эбро : каналы, вырытые там для выращивания риса, доставляют осадки на дельтовую равнину, что приводит к темпам прироста земли , которые могут быть достаточно быстрыми, чтобы поспевать за повышением уровня моря . [58]
Наводнение является жизненно важным источником пресной воды и осадка в поймах , что важно для поддержания возвышенности земли, удобрения почвы и поддержки здоровых водно-болотных экосистем. [59] Дамбы предотвращают наводнения , создавая польдеры , которые больше не получают воду или осадок и, следовательно, теряют высоту. Кроме того, из-за строительства польдеров в верхних частях дельт, паводковая вода больше не может храниться в верхних поймах, вызывая более крупные наводнения ниже по течению. [60] Стратегия восстановления поступления пресной воды и осадка в поймы заключается в преднамеренном разрушении или значительном понижении дамб, чтобы обеспечить наводнение во время пиковых сбросов. [57]
Планируется понизить и разрушить дамбы в верхней дельте Меконга во Вьетнаме недалеко от границы с Камбоджей , районе, который обычно затапливается во время пикового сезона сброса воды с июля по декабрь. [61] [60] Однако во многих районах были построены высокие дамбы для защиты от наводнений круглый год. Благодаря этой полной защите от наводнений фермеры в дельте Меконга могут производить больше урожая риса в год по сравнению с системой с более низкими дамбами или без них. Однако предотвращение попадания паводковых вод и осадков во вьетнамские поймы привело к увеличению пиковых сбросов рек и рискам наводнений ниже по течению, снижению способности пойм удерживать наводнения, накоплению агрохимикатов в почве и сокращению или устранению отложения осадков, способствующих ускоренной потере высоты земли. [61] [60] [62] Чтобы смягчить эти негативные последствия, в верхней дельте Меконга предпринимаются шаги по снижению дамб. Это позволит паводковой воде попадать на равнины только в пиковый сезон. В остальное время года нижние насыпи обеспечивают достаточную защиту для фермеров, чтобы они могли обрабатывать свои земли. [61]
Новое экоинженерное решение для сохранения существующих приливных водно-болотных угодий от повышения уровня моря было реализовано на прибрежных водно-болотных угодьях острова Коораганг в национальном парке Охотничьи водно-болотные угодья , Ньюкасл , Австралия . [63] Благодаря строительству дамб и внутреннего дренажа в этом районе в 20 веке приливная вода не могла попасть в водно-болотные угодья. Хотя приливные потоки уже были возобновлены в начале 2000-х годов, гидрология и топография участка благоприятствовали расширению мангровых зарослей . Это создало ситуацию, в которой мангровые заросли быстро разрастались за счет другой солончаковой растительности , что привело к более глубокому приливному затоплению, аналогичному тому, которое наблюдалось при повышении уровня моря. [63]
Для воссоздания желаемых естественных приливных условий была применена стратегия, называемая методом приливной репликации. [64] Метод приливной репликации создает искусственный приливной режим с помощью автоматизированной системы управления приливами, которую авторы называют SmartGates. Ворота управляют приливным потоком, достигающим водно-болотной зоны, и имитируют приливные условия, необходимые для набора и установления водно-болотной растительности. Участок, который был бы затоплен в естественных условиях, эффективно восстановил солончаковую растительность после внедрения нового метода. [63] Хотя основной целью этой стратегии является восстановление солончаковой растительности, растительность захватывает осадок и, следовательно, может усиливать естественные процессы седиментации .